Het begrijpen van de thermonucleaire explosie van Type Ia supernovae - krachtige en lichtgevende stellaire explosies - is alleen mogelijk door theoretische modellen, die voorheen niet in staat waren het mechanisme te verklaren dat de explosie tot ontploffing bracht.

Een van de belangrijkste onderdelen van deze explosie, vrijwel in alle modellen aanwezig, is de vorming van een supersonische reactiegolf genaamd detonatie, die sneller kan reizen dan de snelheid van het geluid en in staat is al het materiaal van een ster te verbranden voordat het in het vacuüm van de ruimte wordt verspreid.

Maar, de fysica van de mechanismen die een ontploffing in een ster veroorzaken, is ongrijpbaar geweest.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Universiteit van Connecticut, Texas A&M-universiteit, Universiteit van Centraal-Florida, Marine onderzoekslaboratorium, en Air Force Research Laboratory heeft een theorie ontwikkeld die licht werpt op het raadselachtige proces van detonatievorming in het hart van deze opmerkelijke astronomische gebeurtenissen.

Het onderzoek, gepubliceerd op 1 november in Wetenschap , biedt een kritisch inzicht in dit fysische proces, zowel in sterren als in chemische systemen op aarde. Het werd geleid door Alexei Poludnenko, UConn School of Engineering en Texas A&M University; in samenwerking met Jessica Chambers en Kareem Ahmed, de Universiteit van Centraal-Florida; Vadim Gamezo, het Naval Research Laboratory; en Brian Taylor, het onderzoekslaboratorium van de luchtmacht.

Voor de eerste keer, onderzoekers konden het proces van detonatievorming van een langzame subsonische vlam demonstreren met behulp van zowel experimenten als numerieke simulaties die werden uitgevoerd op enkele van de grootste supercomputers in de natie. Ze hebben de resultaten ook met succes toegepast om de omstandigheden van detonatievorming te voorspellen in een van de klassieke theoretische scenario's van Type Ia supernova-explosie.

Type Ia supernova-explosies vinden plaats wanneer koolstof en zuurstof worden samengepakt tot een dichtheid van ongeveer 1, 000 ton per kubieke centimeter in de stellaire kern verbrandt snel, thermonucleaire reacties. De resulterende explosie verstoort een ster in een kwestie van seconden en stoot het grootste deel van zijn massa uit terwijl een hoeveelheid energie wordt uitgestraald die gelijk is aan de energie die de ster gedurende zijn hele leven heeft uitgestraald.

Typisch, om een ​​detonatie te vormen, verbranding moet plaatsvinden in een besloten omgeving met muren, obstakels, of grenzen, die drukgolven kan beperken die vrijkomen door verbranding.

Naarmate de druk stijgt, schokgolven vormen, die in sterkte kunnen groeien tot het punt waarop ze het reagerende mengsel kunnen comprimeren, het ontsteken en een zelfvoorzienend supersonische front produceren. Sterren hebben geen muren of obstakels, wat de vorming van een ontploffing raadselachtig maakt.

In dit onderzoek, het team ontwikkelde een uniforme theorie van door turbulentie veroorzaakte deflagratie tot detonatie die het mechanisme en de voorwaarden beschrijft voor het initiëren van detonatie, zowel bij onbeperkte chemische als thermonucleaire explosies.

Volgens de theorie, als men een reactief mengsel neemt, die verbrandt en energie vrijgeeft, en roert het op om intense turbulentie te creëren, een catastrofale instabiliteit kan het gevolg zijn en zou de druk in het systeem snel verhogen, wat sterke schokken veroorzaakt en een ontploffing veroorzaakt. Opmerkelijk genoeg voorspelt deze theorie de omstandigheden voor detonatievorming in Type Ia supernova's.

Onderzoekers konden inzicht krijgen in de fundamentele aspecten van de fysieke processen die supernova-explosies beheersen, omdat thermonucleaire verbrandingsgolven vergelijkbaar zijn met chemische verbrandingsgolven op aarde in die zin dat ze worden bestuurd door dezelfde fysieke mechanismen.

Vanwege de overeenkomsten, de bevindingen kunnen worden toegepast op verschillende terrestrische verbrandingssystemen waarin ontploffingen kunnen ontstaan, zoals de context van industriële ongevallen met gasexplosies, evenals nieuwe toepassingen voor voortstuwing en energieconversie, zoals op detonatie gebaseerde motoren.